CN110253620A - 一种可快速拆装的集成关节可变体多足机器人 - Google Patents

Abstract

一种可快速拆装的集成关节可变体多足机器人，包括躯干和支腿；若干支腿设置在躯干的底部；每条支腿包括髋关节模块、膝关节模块、踝关节模块、胫节和足端；髋关节模块的一端固定设置在躯干的底部，髋关节模块的轴线垂直于地面；髋关节模块的另一端与膝关节模块的一端连接；膝关节模块的另一端与踝关节模块的一端连接；踝关节模块的另一端连接胫节的一端，胫节的另一端连接足端；本发明提供了一种可快速拆装的集成关节可变体多足机器人，与普通机器人相比，髋关节、膝关节和踝关节采用模块化的设计并且满足互换性；通过插拔式机械连接口和电气触点接口连接各模块，可以快速拆卸、组装各模块，增加或者减少关节模块的数量满足不同自由度的要求。

Description

一种可快速拆装的集成关节可变体多足机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种可快速拆装的集成关节可变体多足机器人。

背景技术

目前，足式机器人广泛应用于抢险救灾、野外探索、外星探索、军事、核能工业等众多领域。作为机器人的一种，足式机器人具有传统履带式机器人或轮式机器人所欠缺的优势，履带式或者轮式机器人虽然在平坦地面能达到很高的移动速度，控制也相对方便，但不能适应非结构化的自然环境。而足式机器人虽然行走速度相对较慢，但对非结构化的地面的适应能力更强，能在轮式或履带式机器人所不能到达的复杂地形上灵活移动。足式机器人能够在占地球表面绝大多数的各种非结构化环境中平稳地行走，具有非常好的应用前景。

传统的足式机器人各个关节的结构不尽相同，不仅使得零件的种类多，制造复杂，而且不易安装，互换性不好，当某关节出现故障时难以迅速维修或者更换，除此之外，还难以满足针对不同任务的客户定制化需求。

发明内容

本发明的目的是提出一种可快速拆装的集成关节模块可变体多足机器人，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种可快速拆装的集成关节可变体多足机器人，包括躯干和支腿；若干支腿设置在躯干的底部；

每条支腿包括髋关节模块、膝关节模块、踝关节模块、胫节和足端；髋关节模块的一端固定设置在躯干的底部，髋关节模块的轴线垂直于地面，髋关节模块能够水平方向上摆动；髋关节模块的另一端与膝关节模块的一端连接，膝关节模块的轴线平行于地面，膝关节模块能够纵向摆动；膝关节模块的另一端与踝关节模块的一端连接，踝关节模块的轴线与膝关节模块的轴线成钝角，踝关节模块能够纵向摆动；踝关节模块的另一端连接胫节的一端，胫节的另一端连接足端；

髋关节模块包括外壳、无刷直流电机、驱动器和谐波减速器；无刷直流电机轴向设置在外壳内部，驱动器设置在外壳内用于驱动无刷直流电机，无刷直流电机的输出端连接谐波减速器，谐波减速器的输出端伸出外壳；

膝关节模块和踝关节模块结构相同；膝关节模块为在基于髋关节模块和第二锥齿轮；谐波减速器的输出端上固定套设有第一锥齿轮，第二锥齿轮通过转轴设置在外壳内；第二锥齿轮大于第一锥齿轮。

进一步的，髋关节模块和膝关节模块之间通过横向机械接口连接，谐波减速器的输出端伸出外壳与横向机械接口固定连接；膝关节模块和踝关节模块之间通过纵向直管机械接口连接，纵向直管机械接口的一端固定设置有连接板，连接板与第二锥齿轮的转轴固定连接；踝关节模块和胫节之间通过纵向弯管机械接口连接，纵向弯管机械接口的一端固定设置有连接板，连接板与第二锥齿轮的转轴固定连接。

进一步的，横向机械接口、纵向直管机械接口和纵向弯管机械接口均为单侧开口的管状，且均包括锁紧环和锁止弧；三个接口的开口处的外圆上设置有截面为半圆形的圆环卡槽，圆环卡槽的外侧设置有锁紧环，锁紧环与接口外圆之间设置有一圈锁止弧。

进一步的，膝关节模块和踝关节模块靠近躯干的端部均设置有一周横截面为半圆形的圆环台；胫节为锥形的中空铝合金管，胫节靠近踝关节模块的一端的内圆上分布有横截面为半圆形的圆环台，胫节端部开设有轴向槽；环形台与圆环卡槽相匹配。

进一步的，髋关节模块、膝关节模块和踝关节模块的无刷直流电机上均设置有电动机自带位置编码器。

进一步的，无刷直流电机的输入经过谐波减速器之后由其柔轮输出，柔轮通过沿圆周均匀分布的螺钉连接盘状弹性元件的右端盖，盘状弹性元件右端盖又通过橡胶元件与盘状弹性元件的左端盖相连接，盘状弹性元件左端盖与输出轴为一体；盘状弹性元件内侧的输出轴上设置有关节角度编码器。

进一步的，横向机械接口、纵向直管机械接口和纵向弯管机械接口的内侧底部均设置有电气触电接口；各个模块之间通过上述三个接口以及电气触电接口连接。

进一步的，电气触电接口包括顶针连接器、关节控制板和触点，顶针连接器连接关节控制板，触点设置在关节控制板上。

进一步的，足端包括长度调节杆和半球状橡胶，半球状橡胶固定设置在长度调节杆底部，长度调节杆和胫节端部螺纹连接，连接处外侧设置有锁紧环。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明提供了一种可快速拆装的集成关节可变体多足机器人，与普通机器人相比，髋关节、膝关节和踝关节采用模块化的设计并且满足互换性；通过插拔式机械连接口和电气触点接口连接各模块，可以快速拆卸、组装各模块，也可以增加或者减少关节模块的数量满足不同自由度的要求；

本发明通过可变方向的减速传动机构可实现机器人形状的多种变形单体体形。使组装设计的单腿具有足够的强度和灵活性。另一方面，将各自的驱动装置、电气系统、控制系统、传感器集成于一个完整的模块中，每个模块是一个完整的机电一体化系统，模块之间通过统一的机械接口和电气触电接口连接，这就可以避免将复杂的走线置于关节外部，从而避免电线与腿部运动发生干涉和影响美观。

附图说明

图1是本发明可快速拆装的集成关节可变体多足机器人的整体机构示意图；

图2是本发明模块化设计的单腿模型侧视图；

图3是本发明模块化设计的髋关节结构剖视图；

图4是本发明模块化设计的膝关节结构剖视图；

图5是本发明模块化设计的踝关节结构剖视图；

图6是本发明胫节结构剖视图；

图7是本发明足端外形结构和剖视图；

图8是本发明模块化关节的机械接口剖视图；

图9是本发明盘状橡胶弹性元件装配图；

图10是本发明电气触点接口触点分布图。

1——髋关节模块、2——膝关节模块、3——踝关节模块、4——胫节、5——足端、6——外壳、7——无刷直流电机、8——驱动器、9——关节角度编码器、10——谐波减速器、11——横向机械接口、12——电气触电接口、13——第二锥齿轮、14——纵向直管机械接口、15——纵向弯管机械接口、16——长度调节杆、18——锁止弧、19——锁紧环、21——电动机自带位置编码器、22——柔轮、23——盘状橡胶弹性元件、24——第一锥齿轮、25——输出轴、28——触点。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

本发明以六足机器人为例说明机器人的快拆结构特性、关节模块的集成特性和可变体功能特性。机器人单腿由髋关节模块1、膝关节模块2、踝关节模块3、胫节4及足端5组成。

髋关节模块1用于单腿的横向摆动。由外壳6、无刷直流电机7及其驱动器8、关节角度编码器9、谐波齿轮传动机构10、横向机械接口11和电气触点接口12组成。选择盘式无刷直流电机，其具有体积小，功率大、转矩特性好的特点。考虑到结构尺寸上的限制，将电机沿轴向布置，为了使得减速机构的结构紧凑和大减速比，采用谐波齿轮减速，可获得大扭矩输出。

膝关节模块2用于单腿的纵向摆动，是处于单腿中段的关节模块。由外壳6、无刷直流电机7及其驱动板8、关节角度编码器9、谐波齿轮传动机构10和锥齿轮传动机构13、纵向直管机械接口14和电气触点接口12组成。其中，由电机外壳6、无刷直流电机7及其驱动器8、关节角度编码器9、谐波齿轮传动机构10组成电机组件。盘式无刷直流电机7沿轴向布置，为了使得减速机构结构紧凑，采用谐波齿轮减速，再安装一级锥齿轮传动机构13可获得大减速比，并且可改变运动和动力输出方向。膝关节模块2通过电机组件再加一级锥齿轮传动得到了改变传动方向的运动输出，它是把电机组件与锥齿轮传动机构13和纵向直管机械接口14连接起来组成的。

踝关节模块3用于单腿纵向摆动，作为末端输出连接组件。由电机组件与锥齿轮传动机构13和纵向弯管机械接口15连接起来组成的。踝关节模块3与膝关节模块2只有机械接口形状不同，其他部分均相同。

胫节4为锥形的中空铝合金管，足端5为一个半球状橡胶，可以缓解地面的冲击，半球状的橡胶足端5制造时直接与金属螺母固结在一起，通过螺钉固定在胫节的调节杆16上，长度调节杆16通过外螺纹与胫节主体连接，通过旋转调节杆16可以改变胫节整体的长度，再拧紧锁紧环19就可以将长度调节杆16固定。

关节模块是由各种组件集成起来，如上所述的髋关节模块1、膝关节模块2与踝关节模块3，它们三者之间满足组件的互换性，可通过不同组件集成安装成不同腿型、腿长的运动机构。

外壳6均由航空铝制成，具有重量轻的特点。其作用是容纳内部各组件，也作为整个关节模块的骨架。外壳上开有矩形孔，目的是为电动机的接线板留出空间。

各关节模块1.2.3的两端均设计有用于快速拆装的机械接口11.14.15，一端接口为公头，另一端接口为母头。公头切出的槽可以使其能略微向外变形扩张，内圆上分布有横截面为半圆形的圆环台，以便与母头外圆上半圆形的圆环卡槽实现快速扣合连接，再外扣上锁紧环19可加固公头与母头的连接。公头顶端外圆为圆锥面，母头外圆上设计有满足自锁条件的一圈锁止弧18，从而使得锁紧环19扣住公头后无论冲击力多大也不会松脱。

可变方向的减速传动机构由谐波齿轮传动机构10和锥齿轮传动机构13组成，可实现172:1的传动比；其中，单谐波减速可达100:1减速比，它的输出端可外接一对锥齿轮减速可达172:1减速比；谐波减速器起主要的减速作用，锥齿轮减速比很小主要起改变传动方向作用。通过是否选择安装锥齿轮机构组件，和选择安装哪一种机械接口组件，可实现机器人形状的多种变形单体体形。

关节电机驱动板8是直径小于外壳6直径的圆形集成电路板，被设计于关节模块内部；由以封装型的微处理器为核心，加以CAN总线收发器、CAN总线控制器、电气触点接口12组成。这种设计使得关节模块之间可以不用电线连线通电，便于拆装。关节驱动板8主要作用是对接收来自位于躯体的主控制板的控制指令，将其转换为对电机的控制指令，另外躯体的主控制板接收回传信号，是来自关节电机驱动板8和关节角度编码器9的信号。

电气触点接口12是一种集成电路板上的电气接口，由顶针连接器和位于关节控制板上的触点实现，共有四个触点28，其中两个较大的触点用于连接电动机及其驱动板和控制板所需的电源，另外两个较小的触点用于连接CAN总线，实现关节模块和躯体主控制板的通信。使用顶针连接器和触点的连接方式可以省去更换关节模块时接线的时间。

考虑到六足机器人经常行走于非结构化的地面，各个关节难免要承受来自地面的冲击力，因此采用盘状弹性元件23吸收冲击力，在电机7输出动力时，弹性元件会在负载的作用下发生变形，转化为自身的弹性势能，从而使得动力输出具有柔性，保护谐波减速器和驱动电机不受过载的损害。另一方面通过盘状弹性元件可以对关节的输出扭矩实现既无刚性冲击也无柔性冲击的控制，本发明中包含两个旋转编码器，一个是电动机自带的位置编码器21，另一个关节角度编码器9位于输出轴，直接测得关节的位置。将两个编码器的信号传送至控制板，经过处理就可以计算出盘状弹性元件23的变形量，间接地测出关节的输出扭矩，以便加以控制，同时，也能实现关节速度和位置的控制。

如附图1至图10所示，本发明公开了一种可快速拆装的集成关节可变体多足机器人，由躯干机构和下肢系统组成。躯干机构用于各支腿、控制板、传感器等部件的安装。本发明采用矩形躯体，六条腿沿矩形中心轴线对称分布，同侧各单腿的朝向相同，前行时部分腿可以以相同的姿态摆动，使得步态的规划和控制相对容易。考虑到控制和步态规划的方便，整个躯体由一整块高强度铝合金板加工而成，在躯干下方加装了横向和纵向分布的筋板以增加强度，躯体上有螺纹孔和通孔用于固定各单腿，控制板，塑料外壳等部件。下肢系统的每条单腿具有三个旋转自由度，以满足六足机器人运动灵活性，每条单腿由髋关节模块1、膝关节模块2、踝关节模块3、胫节4及足端5组成。其中，髋关节的轴线垂直于地面，使得单腿能前后摆动，控制整个机器人的前行与转弯；膝关节和踝关节的轴线平行于地面，和前行的方向重合，使得单腿能够向侧上方摆动，以使足端离开地面和避开障碍物。每个关节由盘式无刷直流电机7和减速器构成的驱动装置驱动。髋关节的转动范围为±25°，膝关节和踝关节则可以旋转±90°，转动范围较大，足以满足灵活性的要求。

六足机器人经常行走于非结构化的地面，各个关节难免要承受来自地面的冲击力，因此采用盘状弹性元件23吸收冲击力。电动机的输入经过谐波减速器之后由柔轮22输出，柔轮22通过沿圆周均匀分布的螺钉与盘状弹性元件23的右端盖相连接，盘状弹性元件23右端盖又通过橡胶元件与盘状弹性元件23的左端盖相连接，盘状弹性元件23左端盖与输出轴25做成一体，直接将动力输出到第一锥齿轮24。运用盘状弹性元件23可以使得单腿与环境和人的交互具有一定的柔顺性和安全性，满足某些特定作业的要求，避免了传统刚性驱动器输出动力过于僵硬的特点。

另一方面，髋关节、膝关节和踝关节采用模块化设计，膝关节和踝关节除了机械接口不同之外，其他各部分均将盘式无刷直流电机7沿轴向布置，为了使得减速器尽量结构紧凑，采用谐波齿轮减速，再安装第二锥齿轮13进一步扩大传动比并改变传动方向将动力输出。将各自的驱动装置、电气系统、控制系统、传感器集成于一个完整的模块中，每个模块是一个完整的机电一体化系统，模块之间通过统一的机械接口和电气触电接口连接，这就可以避免将复杂的走线置于关节外部，避免电线与腿部运动发生干涉和影响美观。

电气触点接口12是一种集成电路板上的电气接口，由顶针连接器和位于关节控制板上的触点实现，共有四个触点，其中两个较大的触点用于连接电动机及其驱动板和控制板所需的电源，另外两个较小的触点用于连接CAN总线，实现关节模块和躯体主控制板的通信。使用顶针连接器和触点的连接方式可以省去更换关节模块时接线的时间。

髋关节模块由电机组件和横向机械接口11连接起来组成的，膝关节模块由电机组件、锥齿轮传动机构13和纵向直管机械接口14连接起来组成的，踝关节由电机组件、锥齿轮传动机构13和纵向弯管机械接口15连接起来组成的。通过机械接口和电气触电接口，当某关节出现故障而又需要继续执行任务时，可以快速更换新的电机组件、锥齿轮传动机构13和机械接口，大大提高了六足机器人的可靠性，节省了时间。同时，这也使得客户定制化成为可能，可以通过增加或者减少关节的数量，获得具有不同自由度的单腿结构，以满足不同场合的应用要求。

Claims (9)

1.一种可快速拆装的集成关节可变体多足机器人，其特征在于，包括躯干和支腿；若干支腿设置在躯干的底部；

每条支腿包括髋关节模块(1)、膝关节模块(2)、踝关节模块(3)、胫节(4)和足端(5)；髋关节模块(1)的一端固定设置在躯干的底部，髋关节模块(1)的轴线垂直于地面，髋关节模块(1)能够水平方向上摆动；髋关节模块(1)的另一端与膝关节模块(2)的一端连接，膝关节模块(2)的轴线平行于地面，膝关节模块(2)能够纵向摆动；膝关节模块(2)的另一端与踝关节模块(3)的一端连接，踝关节模块(3)的轴线与膝关节模块(2)的轴线成钝角，踝关节模块(3)能够纵向摆动；踝关节模块(3)的另一端连接胫节(4)的一端，胫节(4)的另一端连接足端(5)；

髋关节模块(1)包括外壳(6)、无刷直流电机(7)、驱动器(8)和谐波减速器(10)；无刷直流电机(7)轴向设置在外壳(6)内部，驱动器(8)设置在外壳(6)内用于驱动无刷直流电机(7)，无刷直流电机(7)的输出端连接谐波减速器(10)，谐波减速器(10)的输出端伸出外壳(6)；

膝关节模块(2)和踝关节模块(3)结构相同；膝关节模块(2)为在基于髋关节模块(1所有结构的基础上还包括第一锥齿轮(24)和第二锥齿轮(13)；谐波减速器(10)的输出端上固定套设有第一锥齿轮(24)，第二锥齿轮(13)通过转轴设置在外壳(6)内；第二锥齿轮(13)大于第一锥齿轮(24)。

2.根据权利要求1所述的一种可快速拆装的集成关节可变体多足机器人，其特征在于，髋关节模块(1)和膝关节模块(2)之间通过横向机械接口(11)连接，谐波减速器(10)的输出端伸出外壳(6)与横向机械接口(11)固定连接；膝关节模块(2)和踝关节模块(3)之间通过纵向直管机械接口(14)连接，纵向直管机械接口的一端固定设置有连接板，连接板与第二锥齿轮(13)的转轴固定连接；踝关节模块(3)和胫节(4)之间通过纵向弯管机械接口(15)连接，纵向弯管机械接口(15)的一端固定设置有连接板，连接板与第二锥齿轮(13)的转轴固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种可快速拆装的集成关节可变体多足机器人，其特征在于，横向机械接口(11)、纵向直管机械接口(14)和纵向弯管机械接口(15)均为单侧开口的管状，且均包括锁紧环(19)和锁止弧(18)；三个接口的开口处的外圆上设置有截面为半圆形的圆环卡槽，圆环卡槽的外侧设置有锁紧环(19)，锁紧环(19)与接口外圆之间设置有一圈锁止弧(18)。

4.根据权利要求3所述的一种可快速拆装的集成关节可变体多足机器人，其特征在于，膝关节模块(2)和踝关节模块(3)靠近躯干的端部均设置有一周横截面为半圆形的圆环台；胫节(4)为锥形的中空铝合金管，胫节(4)靠近踝关节模块(3)的一端的内圆上分布有横截面为半圆形的圆环台，胫节(4)端部开设有轴向槽；环形台与圆环卡槽相匹配。

5.根据权利要求1所述的一种可快速拆装的集成关节可变体多足机器人，其特征在于，髋关节模块(1)、膝关节模块(2)和踝关节模块(3)的无刷直流电机(7)上均设置有电动机自带位置编码器(21)。

6.根据权利要求1所述的一种可快速拆装的集成关节可变体多足机器人，其特征在于，无刷直流电机(7)的输入经过谐波减速器(10)之后由其柔轮(22)输出，柔轮(22)通过沿圆周均匀分布的螺钉连接盘状弹性元件(23)的右端盖，盘状弹性元件(23)右端盖又通过橡胶元件与盘状弹性元件(23)的左端盖相连接，盘状弹性元件(23)左端盖与输出轴(25)为一体；盘状弹性元件(23)内侧的输出轴上设置有关节角度编码器(9)。

7.根据权利要求2所述的一种可快速拆装的集成关节可变体多足机器人，其特征在于，横向机械接口(11)、纵向直管机械接口(14)和纵向弯管机械接口(15)的内侧底部均设置有电气触电接口(12)；各个模块之间通过上述三个接口以及电气触电接口(12)连接。

8.根据权利要求7所述的一种可快速拆装的集成关节可变体多足机器人，其特征在于，电气触电接口(12)包括顶针连接器、关节控制板和触点(28)，顶针连接器连接关节控制板，触点(28)设置在关节控制板上。

9.根据权利要求1所述的一种可快速拆装的集成关节可变体多足机器人，其特征在于，足端(5)包括长度调节杆(16)和半球状橡胶，半球状橡胶固定设置在长度调节杆(16)底部，长度调节杆(16)和胫节(4)端部螺纹连接，连接处外侧设置有锁紧环。